2016 HIGHLIGHTS - Fraunhofer IIS/EAS
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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R I N T E G R I E R T E S C H A LT U N G E N I I S
HIGHLIGHTS
2016
JAHRESBERICHT
Die Onlineversion des Jahresberichts sowie
Informationen zu »Lehrtätigkeiten | Habilitationen
Dissertationen | Masterarbeiten« unter:
www.iis.fraunhofer.de/jb2016
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FRAUNHOFER IIS Titelbild
Der Blick in die Erde:
Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in 3D-Computertomographie-
Erlangen ist eine weltweit führende anwendungsorientierte Aufnahme einer Kartoffel-
Forschungseinrichtung für mikroelektronische und infor- pflanze. Warum wir Pflanzen mit
mationstechnische Systemlösungen und Dienstleistungen. zerstörungsfreien Monitoring-
Es ist heute das größte Institut der Fraunhofer-Gesellschaft. Technologien analysieren, er
Unter anderem mit der maßgeblichen Beteiligung an der fahren Sie im Highlightthema
Entwicklung der Audiocodierverfahren mp3 und MPEG AAC »Ertragreiche Pflanzen erkennen
ist das Fraunhofer IIS weltweit bekannt geworden. und nutzen«.
HIGHLIGHTS 2016 JAHRESBERICHT
»EINZELNE PRODUKTE SIND
Die Institutsleiter Prof. Dr.
Albert Heuberger (r.) und
NICHT MEHR IM FOKUS.«
Dr. Bernhard Grill.
St ellen Sie sich Ihren Allt ag ohne Sm ar t phone vor. Ohne E- Mails, ohne die schn e lle n E in k ä u fe im
Int er net . Schw er ? Das dür f t e den m eist en Menschen so gehen: Die Digit alisier u n g is t a u s u n s e re r
Gesellschaf t kaum noch w egzudenken. Und sie w ird noch w eit er gehen. Welche Tre n d s h ie r a u s zu
m achen sind und w as w ir in diesem Kont ext leist en können, er läut er n die beide n In s titu ts le ite r
Prof . Dr. Alber t Heuber ger und Dr. Ber nhard Gr ill im Gespr äch m it der Redakt ion .
Herr Professor Heuberger, bevor wir auf die immer wieder neu erfinden, frische Ideen angehen und den
Digitalisierung zu sprechen kommen, zunächst Herausforderungen von Gegenwart und Zukunft begegnen.
einmal eine Frage »in eigener Sache«. Bis Novem- Eine der größten gesellschaftlichen Veränderungen derzeit
ber 2016 haben Sie das Institut allein geleitet, ist mit Sicherheit die Digitalisierung. Es ist eine Binsenweis-
nun steht Ihnen Dr. Bernhard Grill als zweiter heit, dass die Digitalisierung in allen Lebensbereichen Einzug
Institutsleiter zur Seite. Wie kam es dazu? erhält. Nehmen wir den privaten Bereich: Auf dem Smart-
phone hören wir digitale Musik, halten schöne Momente in
Albert Heuberger: Geplant war dieser Schritt schon lange. digitalen Schnappschüssen fest, kommunizieren auf digitale
Denn mit über 900 Mitarbeitenden sind wir das größte Weise mit Geschäftspartnern, Freunden und Familie. In
Institut der Fraunhofer-Gesellschaft. Diese Größe macht es unserer Informationsgesellschaft gibt es einen Trend weg
naheliegend, die Verantwortung auf mehreren Schultern zu vom Analogen, hin zum Digitalen.
verteilen. Es gibt viele Entscheidungen und vor allem auch
Entscheidungen mit großer Tragweite zu treffen. Bisher habe »VERSCHLAFEN DIE DEUTSCHEN
ich diese auch in Abstimmung mit unserem Leitungsteam
FIRMEN DIE DIGITALISIERUNG,
getroffen. Und da ist es gut, wenn ich das gemeinsam mit
einem Institutsleiter-Kollegen tun kann. Und nicht zuletzt KÖNNEN SIE AUF DAUER NICHT
hat ein Institutsleiter zahlreiche Verpflichtungen, so muss er MEHR KONKURRENZFÄHIG SEIN.«
unter anderem in der Politik, im Vorstand und in verschiede-
nen Gremien präsent sein. Wollen wir als Fraunhofer IIS eine Dieser Wandel steht ebenfalls in der Industrie an – auch
entsprechende Außenwirkung erzielen, brauchen wir mehr wenn er sich hier wesentlich langsamer vollzieht. Man spricht
Personen an der Spitze. dabei von »Digitaler Transformation« oder Industrie 4.0: In
ihr sollen die Produktionsanlagen intelligent werden, mit
In der Leitungsverantwortung sind die Aufgaben klar einander kommunizieren, und die Fertigung somit effizienter
verteilt: Dr. Bernhard Grill ist für den Bereich Audio und und flexibler werden lassen.
Medientechnologien zuständig, während ich die restlichen
Bereiche und die Verwaltung abdecke. Entscheidungen, die Woran liegt es, dass der Wandel hin zur Digitali-
das gesamte Institut betreffen, treffen wir gemeinsam. sierung in der Industrie nicht ähnlich rasant
verläuft wie im privaten Bereich?
Worauf kommt es bei der Zielsetzung für ein
Institut wie das Fraunhofer IIS an? Albert Heuberger: Dafür gibt es unterschiedliche Gründe.
Meist hapert es daran, dass der wirtschaftliche Nutzen für
Albert Heuberger: Als Forschungsinstitut müssen wir uns die verantwortlichen Manager nicht auf den ersten Blick
2 3
INTERVIEW
WIR ENTWICKELN ZUKUNFT!
hat. Was die Digitalisierung angeht, so befinden wir uns Gibt es weitere Bereiche, in denen die Digitalisie- leisten wir unseren Beitrag, diese Potenziale auch zu nutzen
erkennbar ist. Es ist daher durchaus verständlich, dass die
momentan noch in einem ähnlich frühen Stadium. Doch ich rung eine Rolle spielt? – zum Vorteil für Wirtschaft und Gesellschaft.
Unternehmen zunächst zurückhaltend reagieren. Schließlich
bin mir sicher, dass sich die Digitalisierung in der Produktion
möchte niemand einen vernünftig gut laufenden oder gar
und die neuen Services und Geschäftsmodelle, die damit Albert Heuberger: Neben Audio und Medientechnologien Herr Professor Heuberger, Herr Dr. Grill, vielen
florierenden Zweig abschneiden. Anders gesagt: Der Nutzen
einhergehen, ebenso durchsetzen werden wie das Autofah- sind unsere Forschungsarbeiten am Fraunhofer IIS Technolo- Dank für das Gespräch.
eines neuen Geschäftsmodells muss erst einmal verstanden
ren. Auch in der Heimautomatisierung sehe ich in puncto gien für Sensorik, Datenübertragungstechnik, intelligente
und auch in Zahlen abbildbar sein. Doch die Zeit drängt:
Digitalisierung noch viel Potenzial, wenn wir etwa in Rich- Auswertung von Messdaten und die Ableitung von Schluss-
Verschlafen die deutschen Firmen die Digitalisierung, www.iis.fraunhofer.de/digitalisierung
tung der intelligenten Wohnungen denken. Es braucht ein- folgerungen – im Sinne von »Business Intelligence« oder
können sie auf Dauer nicht mehr konkurrenzfähig sein.
fach seine Zeit, bis neue Ideen »Fuß fassen«. Doch bei aller »Process Intelligence«. Im weitesten Sinne kann man diese
Zurückhaltung dem Neuen gegenüber: Es ist wichtig für Arbeiten unter dem Begriff »kognitive Sensorik« zusammen-
Hier haken wir ein: Gemeinsam mit unseren Kunden treiben
Deutschland, hier nicht den Anschluss zu verlieren. fassen.
wir die Entwicklung der nötigen Basistechnologien weiter
voran und realisieren neue Anwendungsbeispiele. Dabei
Herr Dr. Grill, Sie sind als Institutsleiter für den Erzeugte Messdaten werden zunehmend durch komplexe,
decken wir die gesamte Kette von der Basistechnologie bis
Bereich Audio und Medientechnologien verant- maschinenlernbasierte Verfahren ausgewertet und in
hin zur Anwendung ab. Wir berücksichtigen zum einen die
wortlich. Wo sind hier die Haupttrends hinsicht- Schlussfolgerungen und Erkenntnisse umgesetzt. Die Erwei-
technologischen Fragestellungen. Zum anderen betrachten
lich der Digitalisierung zu verorten? Wohin geht terung unseres bisher vorhandenen Technologie-Portfolios
wir die betriebswirtschaftlichen Aspekte. In unserer
die Reise? durch kognitive Fähigkeiten hat sich in den letzten Jahren zu
Arbeitsgruppe für Supply Chain Services SCS erforschen
einer unserer Kernkompetenzen entwickelt. Derzeit arbeiten
wir unter anderem, welche neuen Geschäftsmodelle die
Bernhard Grill: Den ersten Meilenstein hinsichtlich der mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei
Digitalisierung mit sich bringt und wie eine erfolgreiche
Digitalisierung haben wir mit unserem digitalen Musik uns mit diesen Methoden. In Zukunft werden wir auf die-
Transformation in den Unternehmen gelingen kann. Der
format mp3 gelegt. Mittlerweile ist die Bezeichnung mp3 sem Feld noch intensiver tätig werden. Dabei spielt Digitali-
Trend geht dabei zur Systeminnovation – einzelne Produkte
zu e inem Gattungsbegriff für digitale Musik geworden, ähn- sierung eine wichtige, ja sogar die zentrale Rolle.
sind nicht mehr im Fokus. Bis dato ist jedoch noch nicht klar,
lich wie Tempo oder Tesa. Inzwischen haben wir bereits
welche Modelle sich durchsetzen. Denn das Interessante an
die fünfte und sechste Nachfolgegeneration auf den Wo kann man diese Entwicklungen sinnvoll ein-
Revolutionen ist ja, dass sie oftmals unerwartet kommen.
Markt gebracht. setzen? Welche Anwendungsgebiete profitieren
konkret davon?
»DIE DIGITALISIERUNG IN DER PRO- MPEG-H Audio bringt 3D-Klang ins Fernsehen und erlaubt
DUKTION UND DIE NEUEN SERVICES die Anpassung des TV-Audiomixes durch den Zuschauer. Albert Heuberger: Kognitive Sensorik spielt in vielen Berei-
Und mit EVS haben wir einen neuen Kommunikationscodec chen eine Rolle, zum Beispiel bei der Prüfung und Überwa-
UND GESCHÄFTSMODELLE WERDEN
maßgeblich mitentwickelt, der die Sprachqualität von chung von Materialien oder Bauteilen, im Bereich der Bild-
SICH DURCHSETZEN WIE DAS AUTO- Handygesprächen deutlich verbessert und zum Beispiel in auswertung oder der Erkennung von Emotionen, bei der
FAHREN.« Deutschland bereits von Vodafone eingesetzt wird. Unser Analyse von Messdaten in Produktionssystemen, in der Lo-
Bereich hat immer die beste Technologie auf dem Gebiet der gistik, bei Energienetzen, bei Sensoren für autonomes Fah-
Bernhard Grill: Sowohl in der Heimautomatisierung als Audiocodierung geliefert – wir sind in 25 Jahren nie in ei- ren und bei vielem mehr. Die Funktion des klassischen »in-
auch in der Fertigung ist die Digitalisierung noch relativ neu. nem technischen Vergleichstest geschlagen worden. Das ist telligenten« Sensors wird um eine kognitive Komponente
Ich sehe hier eine Analogie zum Autofahren: In den frühen unser Markenzeichen, das hat uns nach vorn gebracht. Und erweitert.
Anfängen haben sich lediglich Technikbegeisterte für diese diesem Markenzeichen werden wir auch weiterhin gerecht
neumodische Fortbewegung interessiert. Es dauerte seine werden. Durch die Digitalisierung lassen sich unzählige neue Felder
Zeit, bis sich das Autofahren flächendeckend durchgesetzt und Potenziale erschließen. Mit unserer Entwicklungsarbeit
4 5
INHALT
9 ERTRAGREICHE PFLANZEN 35 SMARTE DATEN – DIE
ERKENNEN UND NUTZEN ZUKUNFT DER LOGISTIK
Pflanzenanalyse in Zeiten des Klimawandels Wie wird sich die Logistik entwickeln?
14 ValuCT kommt auf den Markt | Effizientes Recyc- 40 Die Zahnbürste, die mitdenkt und anleitet | Das
ling mit Röntgentechnik | Neues Know-how durch digitale Dorf | Waschraumhygiene 4.0 | Wir
Magnetresonanz zeigen, wo der Schuh drückt! | Frank und frei
im Fraunhofer-Holodeck | Mehr Effizienz und
Sicherheit im Lager
17 DIE TON-REVOLUTION IM 44 Bessere 3D-Chips für Ultra-HD-Kameras |
FERNSEHEN Intelligente Darmkrebsuntersuchung | Hightech-
Pflegebett gegen Dekubitus
Individuell einstellbarer Ton mit MPEG-H
9 17 22 Klang für virtuelle Welten | Facettenauge nutzt
Lichtfeldtechnologie | Prüfen – automatisch wan- 46 In Kürze
deln – prüfen | Ausgezeichnete Digitalradiotech-
nologien | Weltweite Verbreitung von EVS | Neue 52 Zahlen | Daten | Fakten
Aufgabe
62 Impressum
27 SATELLITENKOMMUNI
KATION DER ZUKUNFT
Effizienter, flexibler und stabiler kommuni-
zieren
32 Bereit für künftige Kommunikationsstandards |
Sicher geführt von Tür zu Tür
27 35
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ERTRAGREICHE PFLANZEN
ERKENNEN UND NUTZEN
Die Folgen des Klim aw andels sind äußer st vielschicht ig und t reff en Ent w ick-
lungsländer besonder s st ar k. St eigende Tem per at uren haben beispielsw eise
zur Folge, dass Regionen unbew ohnbar w erden und Menschen vom über le-
bensw icht igen Zugang zu Tr inkw asser abgeschnit t en w erden. Aber auch
w ohlhabendere Länder bleiben von den Folgen des Klim aw andels nicht ver-
schont und w erden zum Um denken gezw ungen – insbesondere in der Land-
w ir t schaf t . Pf lanzen können sich auf die Ausw ir kungen des Klim aw andels
nicht schnell genug einst ellen, sodass vor allem solche Sor t en gezücht et
w erden m üssen, die sich besonder s gut an die vor her r schenden Bedingun-
gen angepasst haben. In unserem Ent w icklungszent r um Rönt gent echnik
EZR T beschäf t igen w ir uns deshalb m it zer st ör ungsf reiem Monit or ing und
der Analyse von Pf lanzen.
Viele Pflanzensorten, wie etwa Kartoffeln, Weizen, Reis oder auch Maniok, kommen nur
schwer mit den sich ändernden klimatischen Verhältnissen in der Welt zurecht. Um den
wandelnden Bedingungen angemessen zu begegnen, analysieren wir, wie Pflanzensorten auf
diese Umwelteinflüsse reagieren. Die sogenannte Phänotypisierung ist eine Möglichkeit, um « Phänotypisierung
Pflanzen zu identifizieren, die z. B. auch bei hohen Temperaturen ausreichend Ertrag liefern. Die Phänotypisierung ist die
Vermessung und Quantifizierung
Realitätsnahe Umgebung für Pflanzenanalyse von Pflanzeneigenschaften mit-
tels unterschiedlicher Sensoren.
»Prinzipiell ist es möglich, Pflanzensorten mittels einer Sichtprüfung auf dem Feld zu
bewerten. Dieses Vorgehen ist allerdings subjektiv geprägt und dadurch ungenau. Wenn
AUF EINEN BLICK
1| Zerstörungsfreie Monitoring-Systeme ermöglichen die Phänotypisie-
rung unterschiedlicher Pflanzen.
2| Mit unseren Systemen können wir Pflanzen in fünf bis sieben Minuten
vollständig tomographieren.
1 Im Fraunhofer-Entwicklungs-
3| In einem Gewächshaus und mehreren Klimakammern können wir zentrum Röntgentechnik EZRT
Umweltbedingungen realitätsnah simulieren. werden Pflanzenreihen in einem
3D-Computertomographen
1 analysiert.
8 9
ERTRAGREICHE PFLANZEN
ERKENNEN UND NUTZEN »BLATTGRÖSSE UND -FLÄCHE, NEIGUNG
ODER AUCH BIEGUNG KÖNNEN WIR DIREKT
ABLESEN UND PRÄZISE ANALYSIEREN.«
2
2 Klimakammer zur Simulation eine Person Hunderte Pflanzen nacheinander mit Schulnoten bewerten würde, ist zwar eine »Mit unserem 3D-Planzenscanner nehmen wir im Wesentlichen dreidimensionale Fotografien
verschiedener klimatischer Bedin- Tendenz erkennbar, das Ergebnis wird allerdings immer variieren. Deshalb setzen wir zerstö- einer Pflanze auf. Hierbei projiziert ein Lichtschnittlaser eine schmale Linie auf die Blattober-
gungen. rungsfreie Monitoring-Systeme ein«, erklärt Oliver Scholz, Leiter der Gruppe Systeme am fläche. Während diese Linie das Blatt abfährt, zeichnet eine Kamera die Verschiebung der
Entwicklungszentrum Röntgentechnik. Um aussagekräftige Daten zu erhalten, beobachten Linie auf. So werden in nur wenigen Sekunden Millionen von 3D-Koordinaten aufgezeichnet,
wir Versuchsreihen von Dutzenden Pflanzen. Hierfür stehen an unserem Standort Fürth ein die die Oberfläche des Blattes beschreiben«, erklärt Scholz.
Gewächshaus sowie mehrere Klimakammern zur Verfügung, in denen definierte klimatische
Bedingungen realitätsnah simuliert werden können. Nachdem es sich um größere Versuchsreihen von Pflanzen handelt, die über einen längeren
Zeitraum beobachtet werden, fallen bei diesem Vorgehen große Mengen an Koordinaten
Identifikation von ertragreichen Pflanzen daten an. Um die Daten der einzelnen Blätter der Pflanzen miteinander vergleichen zu
können, haben wir eine spezielle Software entwickelt, die wesentliche Parameter eines
Pflanzen bestehen aus ober- und unterirdischen Organen. Wichtige Indikatoren, die Blattes in einem aufwendigen Verfahren errechnet und diese in erheblich kleineren Daten
das Wohlbefinden und die Fruchtbarkeit einer Pflanze widerspiegeln, liegen über der paketen bereitstellt. So lassen sich beispielsweise Blattgröße und -fläche, Neigung oder auch
Erdoberfläche. Insbesondere ihre Blätter, die »Solarpanels einer Pflanze«, liefern wertvolle Biegung direkt ablesen und präzise analysieren. Biologinnen und Biologen nutzen diese
Informationen. Um die Blätter und deren Entwicklung zu beobachten, eignen sich optische phänotypischen Daten, um sie mit mikrobiologischem Wissen zu verknüpfen. So ist man in
Monitoring-Technologien wie beispielsweise das 3D-Laserlichtschnittverfahren. der Lage, den biologischen Mechanismus zu identifizieren, der dieser Pflanzensorte erlaubt,
unter extremen Bedingungen dennoch zu gedeihen und ausreichend Ertrag zu liefern.
Der unterirdische Röntgenblick – 3D-CT in wenigen Minuten
LASERLICHTSCHNITT
Auch unter der Erde befinden sich Pflanzenteile, wie beispielsweise Wurzelstrukturen
Ein Laser mit einer speziellen Aufweitungsoptik projiziert eine Licht- oder Fruchtstände, die bedeutende Informationen, wie z. B. ihre Biomasse, in sich bergen.
linie auf die Oberfläche des zu erfassenden Objekts. Die Lichtlinie Optische Monitoring-Technologien stoßen hier allerdings an ihre Grenzen: Aus diesem Grund
folgt dabei der Kontur der Oberfläche, sodass die Kurvenform dem machen wir uns Röntgenlicht zunutze.
Höhenverlauf der Oberfläche entspricht. Durch eine Auswertung
der Position der Lichtlinie während der Bewegung des Objekts wird Röntgenbildgebung und -mikroskopie haben sich in den vergangenen Jahrzehnten enorm
die Oberfläche komplett vermessen und zu einem 3D-Datensatz weiterentwickelt. Selbst große Prüfobjekte aus Stahl oder anderer metallischer Zusammenset-
zusammengefasst. Für eine vollständige Rundumansicht werden zung lassen sich problemlos untersuchen. Winzige Materialfehler, beispielsweise in Alufelgen
mehrere Lichtschnittsensoren kombiniert. Zur Auswertung wird oder Zylinderkopfgehäusen, sind mit heutigen Systemen eindeutig erkennbar und klassifi-
diese Information über die Objektoberfläche einer Bildverarbeitung zierbar. Forschende, die sich mit der Phänotypisierung beschäftigen, sehen sich allerdings
zugeführt. mit ganz anderen Herausforderungen konfrontiert. »Anders als bei vielen Industrie- und
Laboranwendungen kommt es bei der Phänotypisierung nicht in erster Linie auf gestochen
scharfe Bildqualität an. Unser limitierender Faktor ist die Aufnahmedauer«, erklärt Dr. Stefan
Gerth, Leiter der Gruppe Innovatives Systemdesign. »Mit eigens entwickelten Laborsystemen
streben wir einen Kompromiss aus aussagekräftigen Bilddaten sowie einer stark verkürzten
Messdauer an«, ergänzt Gerth.
Die Dauer der Messung ist deshalb wichtig, weil für gewöhnlich eine ganze Reihe von
Pflanzen vermessen wird. Längere Messzeiten sind zum einen nicht wirtschaftlich realisierbar.
Zum anderen wird die Pflanze durch einen langen Aufenthalt in einer Röntgenanlage aus
10 11
3 4
3 Röntgenlicht ermöglicht den ihrem gewohnten klimatischen Umfeld »gerissen«, was die Aussagekraft der Ergebnisse
Blick in die Erde: Kartoffelknollen erheblich beeinflusst. Deshalb optimieren wir am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgen DAS PRINZIP DER 3D-COMPUTERTOMOGRAPHIE
in unterschiedlichen Wachstums technik EZRT unsere Röntgensysteme dahingehend, dass sie in der Lage sind, Pflanzen in
phasen. rund fünf bis sieben Minuten vollständig zu tomographieren. Neben speziell abgestimmten Bei der dreidimensionalen Computertomographie (CT) werden aus unterschiedlichen Richtungen mehrere Röntgenbilder, sogenannte
Hardwarekomponenten spielt auch die eingesetzte Software eine zentrale Rolle. Bedingt Projektionen, erzeugt. Anders als bei CT-Geräten im medizinischen Bereich wird das Objekt bei industriellen CT-Systemen häufig auf einem
4 Eine Software errechnet die durch die kurze Aufnahmezeit ist das Quellmaterial verrauscht und somit nur schwer zu Drehteller fixiert und zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor platziert. Während der Rotation des Objekts um die eigene Achse wer-
wesentlichen Parameter eines verarbeiten. Intelligente Algorithmen kompensieren diesen Umstand weitgehend und sind so den die Projektionen aufgenommen.
Blattes. in der Lage, die Pflanzenorgane vollautomatisch von der überflüssigen Erde zu trennen.
Im darauf folgenden Verarbeitungsschritt ermittelt die automatische Software sowohl das
Aspektverhältnis der Frucht- und Wurzelstrukturen als auch das Gewicht der Pflanzenorgane.
»Um belastbare Aussagen treffen zu können, beobachten wir die Messreihen über mehrere
Wochen und Monate hinweg. Anhand eines Diagramms im Zeitverlauf können wir nach
Ende des Experiments bestimmen, wie sich das unterirdische Wachstum der Pflanzen ent-
wickelt hat«, erklärt Joelle Claußen, die bereits Tausende Pflanzen am Entwicklungszentrum
Röntgentechnik vermessen hat. »Obwohl wir mit unseren Versuchsreihen eine außerordent-
lich hohe Trefferquote erreichen, können reale Umwelteinflüsse nie zu 100 Prozent durch
eine Gewächshausumgebung simuliert werden. Aus diesem Grund verifizieren Biologen die
Forschungsergebnisse nochmals unter Realbedingungen«, sagt Claußen.
Mit der Unterstützung nationaler und internationaler Partner aus Wirtschaft und Forschung
sind wir zuversichtlich, das wir mit zerstörungsfreien Monitoring-Systemen einen Beitrag
leisten, um den Folgen des Klimawandels angemessen zu begegnen.
www.iis.fraunhofer.de/
phaenotypisierung
K O N TA K T
Thomas Kondziolka
Bereich Fraunhofer-Entwicklungszentrum
Röntgentechnik EZRT
Telefon +49 911 58061-7611
thomas.kondziolka@iis.fraunhofer.de
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ValuCT KOMMT AUF DEN MARKT EFFIZIENTES RECYCLING MIT RÖNTGENTECHNIK
Preisgünstiges Röntgensystem erstellt zwei- oder dreidimensionale Röntgenaufnahmen auf Knopfdruck. Neue Gr uppe er f or scht Dual- Ener gy- Rönt genm et hoden f ür Sor t ier ung und Recyc lin g .
Auf der World Conference on Non-Destructive Testing haben wir gemeinsam mit dem Projektpartner VJ Technologies das Die Sortierung und Identifizierung von Rohstoffen und über einen spezifischen Absorptionskoeffizienten verfügt
neue Röntgensystem ValuCT vorgestellt. Das preisgünstige One-Click-Computertomographie-System erstellt zwei- oder Materialien spielt eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere und deshalb Röntgenstrahlung, in Abhängigkeit der
dreidimensionale Röntgenaufnahmen mit nur einem Knopfdruck – ohne jegliches Vorwissen der Anwendenden und senkt auf dem Gebiet des Recyclings sehen sich Unternehmen verwendeten Energie, verschieden stark abschwächt. Der
so die Kosten für Weiterbildung und Betrieb. Die Bedienoberfläche bietet Einflussmöglichkeiten in Form von voreingestellten mit unzureichend oder gar nicht gelösten Problemen Erkenntnisgewinn für die Materialcharakterisierung und
Programmen, ohne mit komplizierten Optionen zu überfordern. Die ValuCT erstellt so Aufnahmen mit optimal auf das konfrontiert. Deshalb erforschen wir am Entwicklungszen- -bestimmung kann damit gegenüber klassischen Radio
Prüfobjekt angepassten Parametern und rekonstruiert aus Hunderten Einzelbildern ein 3D-Modell. Das System eignet sich für trum Röntgentechnik EZRT bereits seit Jahren Verfahren skopie- und CT-Aufnahmen deutlich gesteigert werden.
sämtliche Einsatzmöglichkeiten moderner Röntgentechnik – vom Reverse Engineering über die präzise Fehlerortung bis hin für die effiziente Materialsortierung mittels Röntgenlicht. Unter anderem wurde ein industrieller Bandsortierer mit
zur Messtechnik. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen der produzierenden Industrie profitieren von der neuartigen Um die Forschungsaktivitäten zu verstärken, wurde im dieser Technologie realisiert und in Betrieb genommen.
Anlage: »Wir haben das System in unserem Labor umfangreichen Tests unterzogen. Leicht durchstrahlbare Bauteile aus car- April 2016 die Gruppe Sortier- und Laborsysteme unter
bonfaserverstärktem Kunststoff oder Aluminium, wie sie oft im Automobilbau vorkommen, dienten als Probekörper. Sowohl Leitung von Alexander Ennen installiert. Dort beschäftigen
die Prüfergebnisse als auch die Datenqualität waren stets auf einem hohen Niveau«, berichtet Markus Eberhorn, Leiter der wir uns in erster Linie mit Dual-Energy- und Mehrenergie-
Gruppe Vorentwicklung. Aufgrund unterschiedlicher Marktbedürfnisse wird die ValuCT in zwei Varianten vertrieben: Zum Röntgenverfahren. Diese nutzen unterschiedliche Röntgen-
einen in der Basis-Ausstattung, die insbesondere auf dem asiatischen Markt Abnehmer finden soll. Zum anderen in einer spektren und erlauben es, verschiedene Materialien in einem
Premium-Ausstattung mit erweitertem Funktionsumfang für den europäischen und amerikanischen Markt. Das Premium- Messobjekt berührungs- und zerstörungsfrei zu bestimmen.
Modell wird in Europa von der Firma Erhardt + Abt Automatisierungstechnik vertrieben. Das Verfahren basiert auf dem Umstand, dass jedes Material
NEUES KNOW-HOW DURCH MAGNETRESONANZ
Abteilung Magnetresonanz- und Röntgen-Bildgebung erweitert Kompetenzen des Bereichs EZRT.
Zum 1. Januar 2016 wurde das Forschungszentrum anzubieten – völlig branchenunabhängig und entlang des
Magnetresonanz Bayern e.V. in unseren Bereich Fraunhofer- gesamten Lebenszyklus von Produkten.
Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT eingegliedert.
Das zehnköpfige Team um Abteilungsleiter Dr. Karl-Heinz www.iis.fraunhofer.de/mrb
Hiller bildet gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern der Gruppe Nano-CT-Systeme am Standort
Würzburg die Abteilung Magnetresonanz- und Röntgen-
Bildgebung.
Durch den Zugewinn von Know-how auf dem Gebiet
5 Das System erstellt zwei- oder der Magnetresonanz- und Magnetpartikel-Bildgebung/-
dreidimensionale Röntgenauf- Spektroskopie und die enge Zusammenarbeit mit dem
nahmen mit nur einem Knopf- Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in 6 Zuckerverteilung in einer
druck – ohne weiteres Vorwissen Saarbrücken sind wir nun in der Lage, für jede Fragestellung Pflanze als Beispiel für ortsauf
des Anwendenden. des zerstörungsfreien Monitorings eine geeignete Lösung gelöste Spektroskopie.
14 15DIE TON-REVOLUTION
IM FERNSEHEN
Zum er st en Mal seit J ahr zehnt en w ird eine Revolut ion in Sachen Fer nseht on
Einzug in die Wohnzim m er halt en. Während in der Ver gangenheit , abgese-
hen von der Einf ühr ung von 5. 1- Sur round- Ton, das Fer nsehen kaum Audio-
Innovat ion en bot , w ird der Klang im TV und Int er net individuell und r aum -
f üllend. Dank des neuen Audiocodecs MPEG- H Audio kann das TV- und
Int er net - Pub likum künf t ig den Ton- Mix individuell anpassen und sogar den
3D- Klang aus dem Kino ins heim ische Wohnzim m er holen.
Wir alle kennen die Situationen: Im Krimi vernimmt die Kommissarin einen Verdächtigen
bei spannungsgeladener Hintergrundmusik. Leider wird das Gespräch durch die Musik
aber schwer verständlich. Bei Sportübertragungen übertönt der Kommentator die Stadion
atmosphäre, die wir in manchen Situationen lieber hören würden. Mit diesen und ähnlichen
Beschwerden müssen sich Rundfunkanstalten weltweit immer wieder beschäftigen. Zahl
reiche Spezialisten in den Fernsehsendern bemühen sich, dem TV-Publikum einen möglichst
ausgewogenen Ton-Mix zu liefern. Doch das Publikum ist zu heterogen, als dass ein Mix
alle zufriedenstellen könnte. Was bislang fehlt, ist eine Möglichkeit, den Ton individuell
anzupassen.
Was ebenso fehlt, ist, die raumfüllende 3D-Klangwelt aus dem Kino in das heimische
Wohnzimmer übertragen zu können. Kaum mehr ein Blockbuster flimmert heute noch
über die Kinoleinwand ohne natürlichen Ton aus allen Richtungen. Für die Wiedergabe des
einhüllenden Raumklangs werden nicht nur Lautsprecher rund um das Publikum, sondern
auch an der Decke angebracht, sodass der Klang tatsächlich raumfüllend ist und wie in
AUF EINEN BLICK
1| MPEG-H Audio ermöglicht es dem TV-Publikum, den Audiomix indi
viduell anzupassen.
2| MPEG-H Audio erlaubt die effiziente Übertragung von einhüllendem
3D-Klang.
1 Der neue Audiocodec
3| MPEG-H Audio ist das erste neue Audiosystem, das in einem terrestri- MPEG-HAudio wird in TV-
schen 4K-TV-System genutzt werden wird. Geräten, Smartphones, Tablets,
Soundbars und VR-Brillen zum
1 Einsatz kommen.
16 17DIE TON-REVOLUTION IM FERNSEHEN
»3D-KLANGWELTEN KÖNNEN AUCH IN
DAS WOHNZIMMER EINZUG HALTEN.«
einer natürlichen Umgebung von allen Seiten kommt. Dies versetzt das Publikum akustisch Auch 3D-Sound kann mit MPEG-H Audio effizient übertragen werden. Dabei werden Kanäle,
mitten in das Geschehen, das Kinoerlebnis wird noch unmittelbarer. Bei der Übertragung Objekte und Ambisonics-Audio unterstützt. Unter Kanälen ist die herkömmliche Art der Au- « Ambisonics
von solchen Filmen im TV oder über das Netz ist damit allerdings Schluss: 3D-Ton lässt sich dioübertragung zu verstehen, zwei Kanäle für Stereo, sechs Kanäle für Surround-Klang oder Mathematische Darstellung eines
heute noch nicht effizient auf die Bildschirme in den Wohnzimmern bringen. Und kaum zehn Kanäle für 3D-Ton. Zusätzlich können auch Audioobjekte übermittelt werden. Objekte Klangfelds.
einer mag sich vorstellen, ein 3D-Lautsprecher-Setup ins Wohnzimmer zu stellen bzw. zu sind beispielsweise interaktive Elemente oder aber bestimmte 3D-Klangbestandteile, etwa
hängen. Dafür sind mindestens sieben Lautsprecher notwendig – eine große Hürde für die ein Hubschrauber, der über das Publikum fliegt. Objekte haben gegenüber der Übertragung
Massentauglichkeit. von Kanälen den Vorteil, dass sie individuell beeinflusst werden können und die Wiedergabe
an die Abspielsituation anzupassen ist. Dazu berechnen Decoder und Renderer vor dem
Auch die neuen Virtual-Reality-Welten und -Geräte sind ohne 3D-Sound kaum vorstellbar. Abspielen der Objekte den Klang für das jeweils vorhandene Lautsprecher-Setup individuell
Während in 360-Grad-Videos die perfekte Inszenierung einer anderen Wirklichkeit neu. So wird eine bessere räumliche Darstellung im Vergleich zu einer rein kanalbasierten
geschaffen wird, kann der Ton nicht einfach nur wie bislang als Stereoklang über die Audioübertragung erreicht. Schließlich unterstützt MPEG-H Audio auch Ambisonics-Audio.
Kopfhörer wiedergegeben werden. Auch hier ist 3D-Klang notwendig, der perfekt auf Dabei werden weder Kanäle noch Objekte übertragen, sondern eine mathematische
das Rundumvideo abgestimmt ist und so die virtuelle Realität erst natürlich und realistisch Beschreibung des Soundfelds, das mit einer speziellen Mikrofonanordnung aufgenommen
erscheinen lässt. Ähnlich wie beim Fernsehen und Video-Streaming besteht auch hier eine wurde. Da für eine akzeptable Qualität eine kompakte Mikrofonierung ausreichend und die
der Herausforderungen darin, den Überall-Ton effizient zu übertragen. Wiedergabe über Kopfhörer einfach möglich ist, sind Ambisonics-Aufnahmen bei Produzen-
ten von VR-Inhalten beliebt.
MPEG-H Audio: Audiocodiersystem der nächsten Generation
3D-Sound auch im Wohnzimmer
Im Bereich Audio und Medientechnologien werden schon seit vielen Jahren technische
Lösungen für diese Herausforderungen entwickelt. Unsere Wissenschaftlerinnen und Im Ergebnis lässt sich mit MPEG-H Audio 3D-Klang flexibel und äußerst effizient übertragen,
Wissenschaftler waren maßgeblich an der Entwicklung und Standardisierung des ISO/ bei Datenraten, wie sie heute vielfach für Surround-Ton üblich sind. Damit bleiben die
MPEG-Audiocodecs MPEG-H Audio beteiligt. Dieser Enkel von mp3 wurde speziell für die Be- 3D-Klangwelten nicht mehr nur auf das Kino beschränkt, sondern können auch in das
dürfnisse von Rundfunkanstalten und Streaming-Anbietern entwickelt, die ihrem Auditorium Wohnzimmer Einzug halten.
und ihren Kunden eine Lösung für die oben genannten Herausforderungen bieten wollen.
Unser Audio-Team konnte ein Referenz-Design für eine 3D-Soundbar vorstellen, mit der es
Personalisierbarkeit des Audiomixes möglich ist, raumfüllenden Klang mit nur einer Soundbar, die unterhalb des Fernsehers auf-
gestellt wird, wiederzugeben. Der Kauf von zahlreichen Lautsprechern und die aufwendige
Mit MPEG-H Audio kann künftig der Audiomix individuell eingestellt werden. In welchem Verkabelung sind nicht mehr notwendig – eine Soundbar reicht aus, um den Mittendrinklang
Umfang das möglich ist, entscheidet der Fernsehsender oder Streaming-Anbieter. Den Mög- nach Hause zu bringen.
lichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt: So können z. B. Dialoge im Vergleich zu Hintergrund-
geräuschen und Musik angehoben werden, um die Sprache besser zu verstehen. Auch die MPEG-H Audio ist nicht auf den Einsatz in Fernsehern beschränkt. Im Gegenteil: Der
Wahl zwischen verschiedenen Kommentatoren bei Sportveranstaltungen kann mit MPEG-H Codec wurde so entwickelt, dass die Wiedergabe dynamisch auf das jeweilige Endgerät
ermöglicht werden – ebenso wie sich die Fangesänge der favorisierten Fußballmannschaft angepasst wird. Es ist also egal, ob man mit Smartphone, Tablet, Fernseher mit eingebauten
aus dem Stadion ins Wohnzimmer zu holen oder den Boxenfunk des Lieblingsfahrers bei Lautsprechern, Soundbar oder einem ausgewachsenen Heimkinosystem Inhalte wiedergibt.
einem Autorennen zu verfolgen. All das kann das Publikum über die Fernbedienung regeln. Die Klangqualität wird für die jeweilige Abspielsituation optimiert.
Damit erfüllt MPEG-H Audio alle Anforderungen an einen modernen Audiocodec. Die An-
wendung innerhalb geschlossener Systeme von Streaming-Anbietern ist sofort möglich. Für
den Einsatz im TV muss der Codec dagegen in Anwendungsstandards wie ATSC oder DVB
18 19DIE TON-REVOLUTION IM FERNSEHEN
2
integriert werden. Auch hier war unser Audio-Team aktiv und konnte erreichen, dass MPEG- Aufnahme und Verbreitung von Bild und Ton getestet. Dafür wurde in 4K-Auflösung gedreht 2 Mit MPEG-H Audio lässt
H Audio sowohl in den ATSC 3.0- als auch in den DVB-Standard integriert wurde. Werden und 360-Grad-Videos aufgenommen, um sie parallel zur TV-Aussendung im Internet anzu- sich der Audiomix individuell
also künftig in Ländern weltweit neue TV-Systeme eingeführt, z. B. für die Übertragung von bieten. Insbesondere für die 360-Grad-Videos ist der 3D-Sound von zentraler Bedeutung. anpassen.
ultrahochauflösendem 4K-Video (UHD), steht MPEG-H Audio für die Audioübertragung zur
Verfügung. Bis zur Einführung eines terrestrischen 4K-TV-Systems in Deutschland wird es sicherlich noch
etliche Jahre dauern. MPEG-H Audio steht dann aber bereit, da es in der DVB-Spezifikation
UHDTV in Südkorea mit MPEG-H Audio enthalten ist und damit in allen DVB-basierten Systemen eingesetzt werden kann. Und das
gilt natürlich nicht nur für Deutschland: Länder rund um den Globus werden künftig ultra-
UHDTV » Aktuelles Beispiel für eine solche Einführung ist das neue UHDTV-System in Südkorea, das hochauflösendes Fernsehen einführen – und immer wird MPEG-H Audio auch eine Option
Ultrahochauflösendes Fernsehen für die Audioübertragung MPEG-H Audio nutzen wird. Das auf dem Standard ATSC 3.0 für den perfekten Ton sein.
mit deutlich höherer Auflösung basierende System wird zunächst in Seoul und Umgebung starten. Bis zu den Olympischen
als HDTV. Winterspielen 2018 soll es auf die Sportstätten ausgeweitet und bis 2021 in der gesamten
Republik Korea eingeführt sein. MPEG-H Audio ist der erste Audiocodec der neuen Gene-
ration, der in einem terrestrischen 4K-System zum Einsatz kommen wird. Südkorea ist hier
wieder einmal technischer Vorreiter.
Auch bei Entwicklung und Vermarktung von Sende- und Empfangsgeräten mit MPEG-H-
Audio-Unterstützung sind südkoreanische Firmen unter den frühen Anbietern. So wurden
die ersten TV-Encoder von den koreanischen Firmen Kai Media, DS Broadcast und Pixtree
angekündigt bzw. auf den Markt gebracht. Die Encoder werden von den Sendeanstalten
benötigt, um das produzierte Programm vor der Ausstrahlung zu encodieren und damit
für die Ausstrahlung vorzubereiten. Auch eine deutsche Firma bietet bereits professionelles
Equipment an: Mit der MPEG-H Audio Monitoring and Authoring Unit von Jünger Audio
aus Berlin lässt sich einhüllender, interaktiver Klang auch bei Live-Veranstaltungen mischen
und für die Übertragung aufbereiten. Schließlich werden rechtzeitig zur Einführung von
MPEG-H Audio in Südkorea Plug-in und Software-Werkzeuge auf den Markt kommen, die es
Tonmeistern und Sounddesignern erlauben, in ihrer bevorzugten Arbeitsumgebung MPEG-H-
Audio-Ton zu mischen. Auf der Empfangsseite bringen führende Unterhaltungselektronik- www.iis.fraunhofer.de/
hersteller TV-Geräte mit MPEG-H Audio auf den Markt. Damit ist alles vorbereitet für die tonrevolution
Einführung von interaktivem 3D-Sound in Südkorea: Der Codec sorgt für einhüllenden Klang
bei niedrigen Datenraten, den TV-Sendern steht das notwendige Equipment zur Verfügung
und die Endverbraucher können Fernseher kaufen, um das neue Programm wiederzugeben.
K O N TA K T
Erste Tests auch in Deutschland
Matthias Rose
Bei deutschen TV-Sendern gibt es ebenfalls Interesse an den neuen Möglichkeiten, die Bereich Audio und Medientechnologien
Interaktivität, 3D-Sound und MPEG-H Audio bieten. So haben unsere Tonmeister das ZDF
bei der Aufnahme und Abmischung von 3D-Sound für die »Terra X«-Folge »Wolfskinder« Telefon +49 9131 776 - 6175
unterstützt. In dieser außergewöhnlichen Produktion wurden neue Technologien für die matthias.rose@iis.fraunhofer.de
20 213 4 5
KLANG FÜR VIRTUELLE WELTEN FACETTENAUGE NUTZT LICHTFELDTECHNOLOGIE
Ne ue V R- E ndge rä te mi t Ci n g o -Un te rs tü tzung und L ös ungen für 3D -Kl ang-Produkti on.
®
Fr aunhof er ent w ickelt im Projekt »f acet V ision« ult r adünne Kam er as f ür Indust r i e u n d S ma rtp h o n e .
Mit LG und Alcatel haben 2016 zwei große Hersteller im Bereich Unterhaltungselektronik VR (Virtual Reality)-Equipment Mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und wird dies durch einen neuartigen Algorithmus, der ein die
in ihr Sortiment aufgenommen. Sowohl die LG-360-VR-Brille als auch die Alcatel Vision nutzen für die Wiedergabe von Feinmechanik IOF entwickeln wir im Rahmen des Projekts Parallaxe, d. h. den optischen Versatz kompensierendes Zu-
realistischem 3D-Klang die Cingo -Technologie des Fraunhofer IIS.
®
facetVision, gefördert durch die Fraunhofer-Zukunftsstif- sammensetzen der Teilbilder zu einem Gesamtbild erlaubt.
tung, ein Verfahren, das es möglich macht, eine nur wenige Neue Anwendungen in der Automobilindustrie oder in der
Cingo versorgt die Personen mit VR-Endgeräten über Kopfhörer mit einhüllendem 3D-Klang, der auch die Drehung des
®
Millimeter hohe Kamera herzustellen. Vorbild hierfür ist die Medizintechnik sind damit umsetzbar. Das Grundprinzip
Kopfes bei der Klangwiedergabe berücksichtigt. Der passende Sound ist für die perfekte Illusion einer virtuellen Welt unab- Natur: Ähnlich wie ein Insektenauge besteht die Linse der ist auch für den Aufbau ultradünner Smartphone-Kameras
dingbar. Steht man im Regenwald, hört man Vögel in den Baumkronen rascheln, kleine Äste unter den Füßen knacken und neuen Kamera aus 135 winzigen Einzelfacetten. Die Kamera geeignet. Durch mehrere kleine Linsen kann der Bauraum
einen zarten Windhauch um sich herumwehen. Nur mit der korrekten räumlichen Wiedergabe dieser Geräuschkulisse auf weist damit nur noch eine Dicke von zwei Millimetern auf, deutlich reduziert werden. Die unpraktischen »Kamera-
Kopfhörern wirkt das 360-Grad-Video vom Regenwald auf einer VR-Brille überzeugend. bei einer möglichen Auflösung von bis zu vier Megapixeln. Beulen« auf dem Smartphone, verursacht durch Sensor und
Möglich wird dies durch die Kombination neuester Sensor- Objektiv, gehören so künftig der Vergangenheit an.
Doch wie kommt dieser Ton im menschlichen Ohr an? Die Tonaufzeichnung bei der Erstellung von 360-Grad-Videos muss technik mit Algorithmen aus der Lichtfeldtechnologie. Wir
quasi unsichtbar erfolgen. Hierzu haben wir ein sehr kompaktes Mikrofon-Array entwickelt, bei dem einzelne Mikrofone fast nutzen dabei die leicht unterschiedlichen Ansichten jeder
beliebig angeordnet werden können. Ein spezieller Algorithmus, der ähnlich wie das menschliche Gehör arbeitet, kann aus einzelnen Linsenfacette. Daraus errechnen wir nicht nur ein 4 Multisensor-Ansichten, die
den Aufnahmen eine gute Rekonstruktion der Aufnahmesituation erzeugen. Diese Technologie wurde beispielsweise bei der hochaufgelöstes Gesamtbild, sondern erhalten zusätzlich die Basis für weitere Verarbeitung
ZDF-Produktion »Terra X« in der Folge »Wolfskinder« eingesetzt. Tiefeninformationen der aufgenommen Szene. Erreicht mit Lichtfeldtechnologie bieten.
Bei der Nachbearbeitung der Szenen im Tonstudio gilt es, realistische Raumklänge zu erzeugen und Audioobjekte geschickt
in der virtuellen Welt zu platzieren oder zu bewegen. Wir bieten dafür den Cingo® Composer an. Mit diesem Plug-in für die
gebräuchlichsten Digital Audio Workstations können Sounddesigner und Musikregisseure überzeugenden Raumklang für PRÜFEN – AUTOMATISCH WANDELN – PRÜFEN
virtuelle Welten direkt in ihrer gewohnten Arbeitsumgebung mischen. Wichtig ist die zeitgleiche Wiedergabe des 360-Grad- Qualit ät scheck f ür IMF- Aust auschf or m at spar t Zeit bei der Tr anscodier ung in de r M e d ie n p ro d u k tio n .
Videos und des 3D-Tons über Kopfhörer, um das Ergebnis der Arbeit immer direkt überprüfen zu können.
IMF steht für Interoperable Master Format – ein neues Distributionsformaten sind dies wichtige Entwicklungen,
Auch für die Übertragung des 3D-Sounds braucht es neue Lösungen. Hier waren wir maßgeblich an der Entwicklung des Universalformat für den Austausch von Dateien in der um in der Produktionspraxis Zeit und Kosten zu sparen.
offenen Standards MPEG-H Audio beteiligt, der durch die effiziente Codierung und der Unterstützung von Audiokanälen, professionellen Medienproduktion. Es setzt sich seit der Der gemeinsame Ansatz ist eine direkte Integration von
Audioobjekten und Ambisonics die perfekte Übertragungstechnologie von 3D-Klang für VR-Anwendungen darstellt. Dank SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)- Qualitätsprüfungsmodulen in die Transcodierabläufe. Zur
dieser Fraunhofer-Technologien wird natürlicher 360-Grad-Sound in VR-Anwendungen endlich Realität. Standardisierung als Austauschformat in der Filmproduktion IBC 2016 stellten wir eine Version vor, mit der bereits die
durch. Viele Herausforderungen heutiger Distributionswege, Erstellung von IMF-Paketen (IMP) geprüft werden kann. Die
www.fraunhofer-cingo.com wie z. B. die Erstellung verschiedener Sprachversionen, Funktionalität ist in das Gesamtsystem unserer Software
sind hierbei berücksichtigt. Für die Entwicklung von Soft- easyDCP integriert. Die Prüfung bei der Erstellung von
warekomponenten, die eine automatische Qualitätsprüfung Distributionsformaten aus dem IMP und erweiterte Testein-
durchführen und sich optimal in die IMF-Arbeitsabläufe stellungen sind künftig ebenfalls möglich.
integrieren, bündeln wir mit dem Fraunhofer-Institut für
Digitale Medientechnologie IDMT unsere Kompetenzen. Das www.iis.fraunhofer.de/easydcp
3 Fraunhofer Cingo® liefert Material wird auf Fehler und Artefakte geprüft, die z. B. bei
den perfekten 3D-Sound für die der Kompression oder Umrechnung in andere Farbräume 5 Anzeige kritischer Passagen bei
Virtual-Reality-Brille. entstehen können. Durch die stetig wachsende Menge an der Erstellung eines IMF-Pakets.
22 236 7 8
AUSGEZEICHNETE DIGITALRADIOTECHNOLOGIEN WELTWEITE VERBREITUNG VON EVS
Jo se ph- v on- F r a u n h o fe r-P re i s fü r d a s Fra u n h ofer I I S: D i gi tal radi o i n D euts c hl and, Europa und der Welt . Full- HD- Voice- Qualit ät bei m obilen Telef onat en in USA, J apan, Südkorea und De u ts ch la n d mö g lich .
Bald verschwindet auch der letzte blinde Fleck der digitalen Medien: Das analoge Radio konnte sich zwar lange halten, aber Seit der Einführung des Mobilfunksystems der vierten Ge- neuen EVS-Qualität profitieren. Als erster 3GPP-Sprach-
dank besserer Qualität, mehr Vielfalt und neuartigen Zusatzangeboten ist Digitalradio weltweit im Kommen. In den meisten neration hat sich diese Technologie dank stark verbesserter Codec kann EVS die komplette vom Menschen wahrnehm-
europäischen Staaten gehört Digitalradio bereits zum Alltag. Etliche Schwellenländer planen derzeit die Umstellung vom Übertragungsleistung und IP-basierter Infrastruktur schnell bare Audiobandbreite von bis zu 20 kHz übertragen. Damit
analogen Kurz- und Mittelwellenradio auf Digitalradio, und auch die Digitalisierung der lokalen UKW-Versorgungen ist im durchgesetzt. Galt dies zunächst nur für die Datenübertra- ist EVS der erste Full-HD-Voice-fähige Audiocodec für den
Gange. Indien gehört dabei zu den Vorreitern und ist auf dem Weg zum größten Digitalradio-Markt der Welt. Insbesondere gung, so werden nunmehr zunehmend auch Sprachdienste Einsatz in der Mobiltelefonie. Für Handy-Telefonate wird
die beiden offenen und sich ergänzenden Standards Digital Audio Broadcasting (DAB/DAB+) und Digital Radio Mondiale auf dieses System übertragen, sogenannte »Voice over so ein einzigartiges Audio- und Spracherlebnis erreicht,
(DRM) spielen bei der Digitalisierung des Radios eine zentrale Rolle. LTE«-Dienste. Um dabei eine mit sogenannten Over-the-top- welches mit der Qualität der heutigen digitalen Medien-
Diensten wie Skype vergleichbare Sprachqualität einführen angebote, wie z. B. dem Streamen von Musik oder Filmen,
Für die Entwicklung der Grundlagen des Digitalradios und der Weiterführung bis zum Marktdurchbruch erhielten Alexander zu können, wurde der Codec Enhanced Voice Services (EVS) vergleichbar ist. Gleichzeitig ist EVS deutlich robuster
Zink, Martin Speitel und Max Neuendorf stellvertretend für das gesamte Entwicklerteam den Joseph-von-Fraunhofer-Preis entwickelt. Wir haben wesentlich zur Entwicklung von EVS gegenüber Störungen, was nicht nur für eine bessere
2016. Die Jury würdigt damit »die kontinuierliche Weiterentwicklung der Basistechnologie und das Besetzen von Standards beigetragen. Ende 2014 wurde das Ergebnis dieser Arbeit Klangqualität sorgt, sondern auch die Leistungsfähigkeit der
in diesem Bereich.« als neuer 3GPP-Standard vorgestellt. Anfang 2016 wurden Mobilfunk-Infrastruktur steigert.
erste Smartphones mit EVS-Integration eingeführt und seit
Unsere Technologien und Entwicklungen tragen maßgeblich zum wachsenden Erfolg von Digitalradio bei. Wir entwarfen Ende des Jahres 2016 kann man in USA, Japan, Südkorea www.full-hd-voice.com
Technologien und Komponenten entlang der gesamten Sendekette des Digitalradios. Dazu zählen sowohl neuartige und Deutschland in ausgewählten Handynetzen von der
Audiocodierverfahren als auch Server-Lösungen für die Codierung und Erstellung der Digitalradio-Sendesignale sowie
Softwarekomponenten für Wiedergabegeräte. Die in MPEG standardisierten Audiocodecs xHE-AAC und HE-AAC verarbeiten
Daten intelligent, sodass sich deren Menge drastisch verringert, während die Qualität erhalten bleibt. Durch Zusatzdienste,
wie etwa den Datendienst Journaline, kann man Textinhalte wie Nachrichten, Wetter oder Stau-Informationen auf dem NEUE AUFGABE
Display des Radioempfängers nachlesen. Siegf r ied Fößel zum SMPTE Gover nor er nannt .
Auch für die Rundfunkanstalten bietet Digitalradio Vorteile. Durch die effizientere Übertragung der Programme lässt sich Dr. Siegfried Fößel, Abteilungsleiter Bewegtbildtechnologien, In Abstimmung mit anderen Standardisierungsgremien
einerseits Energie bei der Ausstrahlung und damit Geld sparen und andererseits eine größere Anzahl von Programmen wurde für zwei Jahre zum Governor für die internationale wie der International Standardization Organization (ISO)
aussenden. Sektion der Society of Motion Picture and Television Engi- fokussiert sie sich dabei auf konkrete Anwendungen im
neers (SMPTE) gewählt. Medienbereich.
www.iis.fraunhofer.de/digitalradio
Zu dieser Sektion zählen Europa (ohne Großbritannien), Jeder der zehn regionalen Governor betreut einen Bereich
6 Joseph-von-Fraunhofer-Preis Afrika sowie Süd- und Mittelamerika. Die SMPTE vernetzt von mindestens 500 Mitgliedern. Neben der Vertretung
2016: (v. l.) Alexander Zink, weltweit Industriefirmen und Einzelpersonen, die im spezieller Interessen im übergeordneten Board der SMPTE,
Martin Speitel, Max Neuendorf Medien- und Entertainmentbereich tätig sind. Sie führt ist Foeßel Teil des Programmkomitees der SMPTE-Konferenz,
vom Fraunhofer IIS. Weiterbildungsmaßnahmen in Form von Konferenzen, Mitglied der Standardisierungsgruppe und eingebunden in
Workshops und Online-Seminaren durch. Eine der wichtigen die Diskussionen zur strategischen Ausrichtung der SMPTE.
7 Als würde man sich direkt Aufgaben der SMPTE liegt in der Standardisierung von
gegenüber stehen: Verbesserte Technologien und Infrastrukturen innerhalb der sich stetig 8 Neuer SMPTE Governor:
Sprachqualität bei Telefonaten weiterentwickelnden Film-, TV- und Medienbranche. Dr. Siegfried Fößel.
mit EVS.
24 25SATELLITENKOMMUNIKATION
DER ZUKUNFT
Hoch im All wimmelt es von Satelliten: Sie lassen uns das Fer nsehprogramm
empfangen, bieten Inter netzugang in Flugzeug und Schiff und halten die
Kommunikation im Fall von Katastrophen aufrecht. W ir sorgen mit verschie-
denen Entwicklungen dafür, dass diese Kommunikation künftig effizienter,
flexibler und stabiler funktioniert.
Nach Stunden im Flugzeug wird spätestens nach Einbruch der Dunkelheit der Blick aus dem
Fenster uninteressant. Die Flugdauer lässt sich nun mit Hollywoodfilmen oder dem Surfen
im Internet überbrücken. Möglich machen es Satelliten: Eine Bodenstation sendet Daten,
etwa einen Film, an den Satelliten. Dieser empfängt die Daten, verstärkt sie und schickt sie
Richtung Erde zurück, wo sie von einem Empfänger erhalten werden – sei es im Flugzeug,
auf dem Kreuzfahrtschiff oder über eine Bodenstation.
Effizienter und kostengünstiger: Neuer Standard für Satellitenkommunikation
Üblicherweise basiert die Übertragung auf dem Standard DVB-S2 – und zwar nicht nur für
das Satellitenfernsehen auf dem heimischen Sofa, sondern auch beim »Satelliteninternet« im
Flieger. Entwickelt wurde der Standard in den frühen 2000er-Jahren. Nun soll dieser Standard
mit DVB-S2X auf die nächste Stufe gehoben werden: Und zwar vor allem in puncto Effizienz
und Kosten. Denn die Satellitenkommunikation nimmt immer weiter zu, man möchte Daten
daher schneller und effizienter übermitteln. Wir waren und sind maßgeblich daran beteiligt,
diesen verbesserten Standard zu entwickeln und »auf die Straße« zu bringen.
AUF EINEN BLICK
1| Der neue Standard DVB-S2X soll die Satellitenkommunikation auf die
nächste Stufe heben: Sie wird schneller, flexibler und effizienter.
2| Über den Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) lassen sich Satelliten
umprogrammieren und an verschiedene Anwendungen anpassen.
3| Neue Terminals ermöglichen eine Satellitenkommunikation vom fah-
renden Auto aus, was vor allem in Katastrophenfällen hilft. 1 Aufnahme eines Konstella
tionsdiagramms in der Antennen-
1 messhalle.
26 27S AT E L L I T E N K O M M U N I K AT I O N
DER ZUKUNFT »WIR HABEN DIE SATELLITENKOMMUNI
KATION FIT GEMACHT FÜR DIE MOBILE
ANWENDUNG.«
2
2 Auf dem Teststand der »Facil Die Vorteile, die DVB-S2X gegenüber seinem Vorgänger bietet: Er hat eine deutlich höhere Mit den heutigen Satelliten kann man jedoch nur in gewissen Grenzen auf Änderungen
ity for Over-the-Air Research and Leistungsfähigkeit, die Flexibilität und auch die spektrale Effizienz sind besser. Jedes einzelne reagieren. Denn die Erdtrabanten sind vergleichsweise »dumm«: Sie empfangen die Signale,
Testing (FORTE)« werden die ent- Bit, das so übertragen wird, kostet also weniger als bisher. Das Ziel ist hoch gesteckt: Im verstärken sie und senden sie wieder zurück. Für viele Anwendungen reicht das aus, etwa
wickelten Nachführalgorithmen Schnitt soll der neue Standard um 20 bis 30 Prozent effizienter sein als sein Vorgänger, bei beim Rundfunk. Bei anderen Anwendungen wünschen sich die Satellitenbetreiber mehr
der KASYMOSA-Antenne bei einigen Anwendungen gar bis zu 50 Prozent. Zudem ist die Kommunikation weniger feh- Flexibilität, schließlich kann man heute kaum wissen, welche Anforderungen der Satellit in
unterschiedlichen Bewegungs- leranfällig; neue Anwendungen werden möglich. »Über DVB-S2X können wir die Flexibilität den 15 Jahren erfüllen soll. Auch lässt sich bei neuen Diensten nur grob abschätzen, wie die
profilen überprüft. und die Auslastung der Satelliten verbessern, was sich auf den Empfang zur See oder in der Auslastung aussehen wird. Kurzum: Die meisten Satelliten bleiben selten in den Anwendun-
Luft ebenso auswirkt wie auf den mit kleinen Satellitenantennen», erklärt Rainer Wansch, gen, für die sie eigentlich konzipiert wurden. Bislang bedeutet eine solche Umfunktionierung
Leiter der Abteilung HF und SatKom Systeme. allerdings einen großen Aufwand – wenn sie denn überhaupt möglich ist.
Möglich wird das über zahlreiche Optimierungen. Ein Beispiel sind die Empfänger und Sen- Wir wollen die Flexibilität von Satelliten nun deutlich erhöhen. Möglich machen soll es der
der, die auf der Erde stehen. Bisher basieren sie auf vielen kleinen Transpondern, die jeweils Fraunhofer On-Board-Prozessor, kurz FOBP, den wir in unseren Labors entwickeln. Ȇblicher-
bis zu 36 Megahertz übertragen können. Das Manko dabei: Nicht jedes Signal nutzt diese weise lassen sich die Prozessoren, die in den Satelliten integriert sind, nur einmal program-
36 Megahertz komplett aus. Während der eine Nutzer beispielsweise nur 15 Megahertz mieren, sie sind damit fest auf eine Anwendung zugeschnitten. Unser On-Board-Prozessor
benötigt, allerdings der komplette Transponder belegt wird, bekommt eine andere Nutzung dagegen kann beliebig oft umprogrammiert werden – und zwar ganz unkompliziert vom
das Signal nicht durch, da es die 36 MHz des Transponders überschreitet. »Bei dem neuen Boden aus«, erklärt Rainer Wansch. Das heißt, künftig lassen sich Satelliten, die über einen
Standard setzt man daher auf einen breiten Transponder, dessen Bandbreite bei etwa 400 bis solchen flexiblen On-Board-Prozessor (OBP) verfügen, leicht auf andere Anwendungen zu-
500 Megahertz liegt. So lassen sich die Datenströme effizienter aufteilen«, erläutert Wansch. schneiden. Die Entwicklungsleistung lag vor allem darin, die entsprechenden Programme und
Sprich: Jede Nutzung erhält exakt die Übertragungskapazität, die sie benötigt. Somit lässt die Firmware- und Softwarearchitektur zu entwickeln und diese trotz der rauen Bedingungen
sich die volle Bandbreite eines Satellitenkanals effizient nutzen und gleichzeitig lassen sich im Weltraum nutzbar zu machen.
die Signalverzerrungen reduzieren.
Das Signal, das ein Satellit mit Hilfe des OBP sendet, ist dabei deutlich klarer als bisher. Denn
Der Standard bietet zahlreiche Anwendungen und Konfigurationen – dementsprechend übliche Satelliten verstärken auch die Störungen mit, die bei der Übertragung des Signals
schwer ist es, ihn zu implementieren. Wir haben daher einen speziellen Empfänger und einen entstehen. Der OBP dagegen verstärkt die Signale, die er empfängt, nicht einfach, sondern
Prüfstand entwickelt, in dem wir die komplette Breitband-Übertragungskette für DVB-S2X interpretiert sie und erzeugt sie neu. Störgeräusche werden daher nicht mit verstärkt, der
nachbilden und Geräte ausgiebig testen können. Der Prüfstand deckt sämtliche Bereiche ab, Satellit sendet die reine Nutzinformation. Im Low Earth Orbit (LEO) beispielsweise ist der « Low Earth Orbit (LEO)
egal ob es sich um die Breitband-Übertragung, die Signalmodellierung oder die Verarbeitung OBP damit eine wichtige Komponente für Megakonstellationen: Er bringt sich zusätzlich Die Umlaufbahnen von Satelli-
des Empfängersignals handelt. »Mit unserem Prüfstand bieten wir unseren Kunden einen als Vermittler zwischen den Satelliten ein. Wozu das gut sein soll? Nun, zwei Drittel der ten im Low Earth Orbit liegen
großen Mehrwert. Denn dort können wir reale Übertragungssituationen und -bedingungen niedrigfliegenden Satelliten befinden sich über dem Meer, schließlich bestehen grob zwei typischerweise in einer Höhe
simulieren – also die gesamte Übertragungskette vom Sender bis zum Empfänger testen und Drittel unserer Erde aus Ozeanen. Diese Satelliten haben jedoch nicht allzu viel zu tun, denn von nur etwa 1000 Kilometern.
optimieren, und zwar unter realen Einsatzbedingungen«, so Wansch. vom Meer aus werden nur wenige Signale ins All geschickt. Die Prozessoren, die in besagten LEO-Satelliten umkreisen die Erde
Satelliten stecken, haben daher einen Großteil ihrer Kapazität übrig. Über den OBP und Inter- schnell und in großen Konstella
Ein neuer Prozessor für die Satelliten Satelliten-Verbindungen könnten sich die Satelliten gegenseitig »Arbeit« zuschieben und die tionen mit mehreren Satelliten
Prozesslast verteilen. Die Nutzer merken davon nichts; es entstehen keinerlei Nachteile. Für pro Umlaufbahn.
Neben dem Übertragungsstandard bieten auch die Satelliten selbst in puncto Effizienz noch die Satellitenbetreiber allerdings bringt diese Zusammenarbeit immense Vorteile: Sie können
Platz nach oben. Denn was die aktuellen Modelle angeht, so sind sie stark konfiguriert. sich einige Bodenstationen sparen, was wiederum Kostenvorteile bringt. Ende 2017 soll der
Das heißt, sie erfüllen die Anwendung, für die sie gebaut sind – und das nach Möglichkeit FOBP fertig sein, dann liefern wir ihn an den Satellitenhersteller. Im Jahr 2021, so die Pla-
15 Jahre lang. Doch in einer so langen Zeit kann sich auch schon einmal etwas ändern, wenn nung, soll er mit der Heinrich-Hertz-Mission des DLR-Raumfahrtmanagements ins All starten.
nicht gar gravierend umwälzen.
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